燃气及成品油管道设计课程设计--某输气管道工艺设计

燃气及成品油管道设计 课程设计报告 学 院 : 专业班级 : 学生姓名 : 学 号 : 设计地点（单位）： K801 设计题目 : 某输气管道工艺设计 完成日期： 2015 年 1 月 8 日 指导教师评语 : 成绩（五级记分制） : 指导教师（签字） :_ 目录 1 设计总则 .1 1.1 设计标准 .1 1.2 设计原则 .1 2 设计任务参数 .2 2.1 设计工程概况 .2 2.2 其他有关基础数据 .2 3 确定管道评估性通气能力 .3 4 输气管道规格 .4 4.1 天然气的密度及相对密度 .4 4.2 天然气运动黏度 .4 4.3 压缩因子 .5 4.4 雷诺数 .5 4.5 水力摩擦系数 .6 4.6 管道内径的计算 .6 4.7 确定管壁厚度 .6 4.8 末段工况特点 .9 4.9 末段长度与管径确定 .9 4.10 计算末端储气量 VS .11 5 压缩机站数及压缩比 .13 5.1 压缩机相关情况 .13 5.2 压缩机站数、布站位置的计算公式依据 .13 5.3 压缩机站数的确定 .14 5.4 压缩比 计算 .15 6 确定压缩机机组的功率与型号 .16 6.1 压缩机的选型 .16 7 布置压气站 .18 7.1 压缩机的布置 .18 8 结论 .19 8.1 管道评估性通气能力 .19 8.2 输气管道规格 .19 8.3 压缩机站数及压缩比 .19 8.4 压缩机选型 .19 参考文献 .20 1 1 设计总则 1.1 设计标准 本设计主要依据的是课程设计任务书提供的设计参数以及输气管道工程设计规范 GB50251-94 进行设计计算。 1.2 设计原则 输气管道工程设计应遵照下列原则： （ 1） 输气管道工程设计规范 GB50251-2003 （ 2） 保护环境、节约能源、节 约土地，处理好与铁路、公路、河流等的相互关系； （ 3） 采用先进技术，努力吸收国内外新的科技成果； （ 5） 优化设计方案，确定经济合理的输气工艺及最佳的工艺参数。 （ 6）在保证管线通信可靠的基础上，进一步优化通信网络结构，降低工程投资。提高自控水平，实现主要安全性保护设施远程操作。 （ 7）以经济效益为中心，充分合理利用资金，减少风险投资，力争节约基建投资，提高经济效益。 2 2 设计任务参数 2.1 设计工程概况 某长距离输气干线，沿线地形起伏不大，海拔高度 1200m。要求对该管道进行工艺设计。设计要求如下： （ 1） 确定管道评估性通气能力 （ 2） 输气管道规格 （ 3） 压缩机站数及压缩比 （ 4） 确定压缩机机组的功率与型号 （ 5） 布置压气站 2.2 其他有关基础数据 所输天然气组分见下表 2-1： 表 2-1 天然气相关组分 组成 Mol% 组成 Mol% 甲烷 95 己烷 1.06 乙烷 2.0 硫化氢 0.2 丙烷 1.47 二氧化碳 0.37 丁烷 0.32 氮 1.3 正戊烷 0.02 氦 0.00 （ 2）天然气的温度为 30 ，管道全长 1000km，任务输量为： 25 亿方 /年，起点气源压力为 8MPa； （ 3）压气站最大工作压力为 7MPa，进站压力为 5.2MPa，各站自用气系数为 0.5%，末端最低压力 2.0MPa； （ 4）入站口到压缩机入口压损为 0.15MPa；压缩机出口到压缩站压损 0.21MPa 提示： 确定燃气轮机的功率公式 N0=4.00810-6k/(k-1)TZQ(m-1)/m-1) Niso 为所选燃气轮机的标况功率 Nsite= Nis0FtFmFexFin 环境温度 27 ， Ft=0.9 海拔高度 1200， Fa=0.864 进气系统 压力损失修正值 Fin=0.98 排气系统压力损失修正值 Fin=0.99 3 3 确定管道评估性通气能力 任务年输量为 25 亿方 /年。根据 GB50251-2003输气管道工程设计规范规定：输气管道的设计输送能力应按设计委托书或合同规定的年或日最大输气量计算，设计年工作天数应按 350d 计算（ 350d 是为冬夏平衡，同时最大输气量应以标态计算。）。 smsmQ 338 26.9785.03 6 0 0243 5 0 1025 由上计算可得该管道通气能力为 97.26 立方米每秒。 4 4 输气管道 规格 4.1 天然气的密度及相对密度 组成 密度 （ kg/m） 相对分子质量 动力粘度 组成 密度 （ kg/m） 相对分子质量 动力粘度 甲烷 0.7174 16.043 10.395 己烷 3.7854 86.180 9.800 乙烷 1.3553 30.700 8.600 硫化氢 1.5392 34.076 11.670 丙烷 2.0102 44.097 7.502 二氧化碳 1.9768 44.010 14.023 丁烷 2.4500 58.124 6.835 氮 1.2500 28.013 16.671 正戊烷 3.4537 72.151 6.355 氦 0.1786 4.000 由气体的相对分子质量公式： i iM y M (4-1) 得出 : 212.18%0000.4%3.1013.28%37.0010.44%2.0076.34%06.1180.86 %02.0151.72%32.0124.58%47.1097.44%2700.30%95043.16 M由公式得： 天= MM天空=18.212/24.055=0.757kg/m3 在标准状态下，天然气的密度与干空气的密度之比称为相对密度。天然气相对密度用符号用 表示，则有： a (4-2) 式中 气体的相对密度 气体的密度 a 空气的密度，在工程标准下，为 1.206 3mkg 相对密度： =天空=0.757/1.206=0.6277 4.2 天然气运动黏度 （ 1）由各组分黏度计算天然气黏度： 5 iiiiiiiMyMy(4-3) 代入数据得： 1059.440013.28%3.1671.16010.44%37.0023.14076.34%2.0670.11180.86%06.1800.9151.72%2.0355.6124.58%32.0835.6097.44%47.1502.7700.30%0.2600.8043.16%95395.10iiii My 2583.40013.28%3.1010.44%37.0076.34%2.0180.86%06.1151.72%2.0124.58%32.0097.44%47.1700.30%0.2043.16%95iii My所以按公式计算得动力黏度 : =44.1059/4.2583=10.358MPas （ 2）计算天 然气运动黏度 : smm /6 8 3.137 5 7.0 3 5 8.10 2 4.3 压缩因子 由公式15.110P113.0100100 Z 式中： P 天然气的绝对压力（ MPa） 可求得： Z = 0.904 4.4 雷诺数 由公式dq101.777R v3-e 式中 : q 气体流量； 相对密度； 6 气体动力粘度； d 输 气管的内径； 将后面假设管径数据代入式中得 Re=9.824 10-5 4.5 水力摩擦系数 由公式： 0.0392e68.0 3R1 代入公式得： =0.0115 4.6 管道内径的计算 根据公式： 207.010038.0033.0207.04.11 PqD v (4-4) 式中 D 管道内径 ， mm； 天然气密度， kg/m3； 天然气运动黏度， mm2/s； vq 体积流量， m3/h； 100p 管道在 100米的压力降，当 P 3.0MPa，取 45MPa，当 1.4 P 3.0 MPa,，取 35MPa。 ； 代入数据计算内径： mmD 286.682453 5 0 1 3 6683.13757.04.11 207.038.0033.0207.0 4.7 确定管壁厚度 输气管线的管径确定后，要根据其输送压力、管线材质等来设计壁厚。 油田油气集输和外输油、气管线可按下式计算： Fpd2 （ 4-2） 式中 p 管线设计的工作压力， 10MPa； d 管线内径， mm； 焊缝系数：无缝钢管 =1，缝管和螺旋焊缝钢管 =1， 7 旋埋弧焊钢管 =0.9； s 刚性屈服极限， MPa(查表 1)； F 设计系数（查表 2）。 表 4.2设计系数 工作环境 管线 野外地区 居住区，油气田站内部、穿跨越铁路公路小河渠（常年枯水面宽 20m） 输油管线 0.72 0.60 输气管线 0.60 0.50 根据设计要求，管线设计压力 P取压气站最 大工作压力 7MPa，选直焊缝钢管，选用 APIS-SL， X70， 设计参数 F取 0.60。 mmFpd 257.80 .64822 286.6827t2s 根据国标无缝钢管规格表选管径规格（表 4-3 国标无缝钢管规格）。综上选择管径7209mm 的管道。 表 4-3 国标无缝钢管规格 直径 厚度 /mm 管重 /m 直径 /mm 厚度 /mm 管重 /m 159 4 15.29 820 10 199.75 5 18.99 12 239.1 6 22.64 14 278.26 219 4 21.21 920 8 179.92 5 26.39 9 202.19 6 31.52 10 224.41 7 36.6 12 268.7 8 41.63 14 312.79 273 5 33.04 1020 8 199.65 6 39.51 9 224.38 7 45.92 10 249.07 8 52.28 12 298.29 325 5 39.46 14 347.31 6 47.2 16 396.14 钢管材质 优质碳素钢 碳素钢 A3F 低合金钢 16Mn APIS-SL 10 20 X52 X60 X65 X70 s， Mpa 205 245 235 353 358 413 448 482 8 7 54.89 18 444.77 8 62.54 1220 10 298.39 9 70.13 12 357.47 10 77.68 14 416.36 377 6 54.89 16 475.05 7 63.87 1420 12 416.66 8 72.8 14 485.41 9 81.67 16 553.96 10 90.5 1620 12 475.84 426 6 62.14 14 554.46 7 72.33 16 632.87 8 82.46 18 711.1 9 92.55 1820 12 535.02 10 102.59 14 623.5 480 6 70.13 16 711.79 7 81.65 18 799.87 8 93.12 20 887.76 9 104.53 2020 14 692.55 10 115.9 16 790.7 529 7 90.11 18 888.65 8 102.78 20 986.4 9 115.41 22 1083.95 10 127.99 2220 16 869.61 630 8 122.71 18 977.42 9 137.82 22 1192.46 10 152.89 24 1299.68 720 8 140.46 2420 16 948.52 9 157.8 18 1066.2 10 175.09 20 1183.68 820 8 160.19 22 1300.96 9 179.99 24 1418.05 9 4.8 末段工况特点 当设计一条新的干线输气管道时，工艺计算应该从末段开始，先确定末段的长度和管径，然后再进行其他各中间管段的计算。 输气管道末段，即最后一个压缩机站与城市门站之间的管段。末段与其他各站站间管段在工况上有较大的区别。对于中间站站间管段来说，其起点与终点的流量是相同的，即属于稳定流动的工况，因此可按推导公式计算。但对于输气管道末段来说，其起点流量也是和其他各管段一样保持不变，而其终点流量却是变化的，并等于城市的用气量。城市用气量小于末段的恒定起点流量，如城市无储气库，多余的气体就积存在末段管内。当城市 用气量大于管线输气量时，不足的气量就由积存在末段管中剩余气体补充。随着流量的变化，末段的起、终点压力也随着变化。末段终点流量增大时，末段起、终点压力都要减小；相反，终点流量减小时，末段起、终点压力都要增大。末段起点的最高压力等于最后一个压气站出口的最高工作压力，末段终点的最低压力应不低于配气站所要求的供气压力，末段起、终点压力的变化就决定了末段输气管中的储气能力。 4.9 末段长度与管径确定 当设计一条新的干线输气管道时，工艺计算应该从末段开始，先确定末段的长度和管径，然后再进行其他各中间管段的计算 。 输气管道末段的计算与其他各段的区别是：应该考虑末段既能输气，又能储气的特点，也就是说，在末段的计算中除了要考虑与整条输气管道一致的输气能力，还必须考虑储气能力，最理想的是使末段能代替为消除昼夜用气不均衡所需的全部容积的储气罐。 计算输气管道末段长度和直径时，应考虑以下三个条件 : 当用气处于低峰时（夜间），输气管道末段应能积存全部多余的气体，如条件不允许，可考虑部分满足；当用气处于高峰时（白天），应能放出全部积存的气体。 输气管道末段的起点压力，即最后一个压缩机站的出口 压力不应高于压缩机站最大工作压力，并且应在钢管强度的允许范围之内。 末段的终点压力不应低于城市配气管网的最小允许压力。 已知末段终点压力 2.0M PaPP 2 m in2 ，末段起点压力 M Pa0.7PP 1m a x1 。假定末段直径 mm117Dd B ，壁厚 9mm 按下式计算所需管径： 7/15.12m i n22m i n13m a x23m a x12m a x )(2 2dPPPPAqV vs (4-6) 10 220 0206 ZTP TCA (4-7) 式中 Vsmax 取最大储气量为日输量的 40%， m3/d； qv 气体的流量， m3/s； P1,P2 分别为最高压力和最低压力 ,Pa； P0 工程标标状况下的压力 , P0=101325Pa； 0C 取 0.03848 水力摩阻系数； Z 气体的压缩因子； 气体的相对密度； T 气体的平均温度， K； T0 工程标标状况下的温度， T0=293K。 代入数值后可以得出： smq v /26.9785.03 6 0 0243 5 0 1025 38 9222220020 10137.47726.01501.0049.0033101 32 5 293603848.06 ZTP TCAmPPPPAqVvs718.0)100.2107(22100.210710137.426.97103613.3)(22d7/15.11221221831839-267/15.12m i n22m i n13m a x23m a x12m a x根据公式可以计算出末段管道壁厚： mmF 689.86.04822 718.00.7t2 PDs 所需末段长度按公式计算： 22m in22m a x1z 2vCqPPL (4-8) 520 dCTZC (4-9) 式中 d 管线内径， mm 0C 取 0.03848 11 水力摩阻系数； Z 气体的压缩因子； 气体的相对密度； T 气体的平均温度， K； P1,P2 分别为最高压力和最低压力 ,Pa； vq 气体的流量， m3/s； zL 末段储气管道长度， km。 故由公式可得： 915.6997718.00 3 8 4 8.0 3036277.0904.00115.0d 52520 C TZC mCq PPLvk895.33926.97915.69972 100.2-1072 21221222 2 m i n22m a x1z 4.10 计算末端储气量 VS 储气开始时，终点的最低压力不低于配气站要求的最低压力： 221 m i n 2 m i n ZP P C L q 储气结束时，起点的最高压力不超过管材的最高压力： 222 m a x 1 m a x ZP P C L q 22 m i np j m i n 1 m i n1 m i n 2 m i n2 ()3PPPPP 22 m a xp j m a x 1 m a x1 m a x 2 m a x2 ()3PPPPP 代入数值后： 915.6997718.00 3 8 4 8.0 3036277.0904.00115.0d 52520 C TZC M P a148.526.79398953915.9976102qCLPP 21222Zm i n221 m i n 5 . 1 4 8 M P a9 7 . 2 63398956 9 9 7 . 9 1 5-107qCL-PP 21222Zm a x212 m a x M P a805.3)25. 148 25. 148(32)PP PP(32P 22 m i n1 m i nm i n221 m i np j m i n 12 M P a121.6)5. 1487 5. 1487(32)PP PP(32P 22 m a x1 m a xm a x221 m a xp j m a x 末段输气管的储气能力按公式： 2 m a x m i n 0s m a x m i n0()4 p j p jZP P TdLV V VP Z T 式中： minV 储气开始时末段管道中的存气量， m3； maxV 储气结束时末段管道中的存气量， m3； V 末段管道的几何体积， m3； Z 气体的压缩因子； 代入数据后： 366200m i n pjm a x PjZ2sm103 . 2 9 7 93030 . 9 0 4101325429310)3 . 8 0 5-6 . 1 2 1(3398950 . 7 1 13 . 1 4ZTPT)P-P(4LdV假定的末段储气能力为日输量的 40%，计算得： 4 0 %108 . 4 0 3 3101 . 5 9 03 0 %108 . 4 0 3 3Q 666 即末段储气量在日输量的 30%40%间，符合设计要求。末端假设管径与标准管径相对误差小于 1%。，故末段管径取 711 8mm，长度取 339.895km 合理。 13 5 压缩机站数及压缩比 5.1 压缩机相关情况 沿线有气体分出或引入的干线输气管的特点是管路中的流量逐段变化：在分气的情况下，流量逐段减小；在进气的情况下，流量逐段增大。如果计算段起点流量保持不变，在相同管径、压力等条件下，有分气点时，计算段的长度必定大于无分气点的输气管计算段的长度，而且分气量越大（或分气点越多），计算段越长；在进气点时，计算段的长度必定小于无分气点的输气管计算段的长度，而且进气量越大（或进气点越多），计算段越短；在既有分气点又有进气点的情况下，计算段的长度取决于分气和进气的共同影响，分气的影响使管段变长，进气的影 响使管段变短，因此，如分气的影响超过进气的影响，则计算段变长，反之，则计算段变短。 沿线有进气点的水平输气管，设输气管计算段的起点流量为 q ，内径为 BD ，起点和终点压力为 1P 2P ,沿线有若干进气点，各进气点的进气量为 1q ， 2q ,.，nq，各进气点之间的管段长度为 1l ， 2l ,.1nl，这种有进气点的输气管的特点是流量逐段增加，在计算段的长度 l 必定小于无进气点的输气管计算段的长度。 5.2 压缩机站数、布站位置的计算公式依据 输气管计算段的长度 l 可按下面的水平输气管基本公式的变换形式进行计算： 1213212211122221 )(.)()(nini lqqlqqqlqqlqKPP (5-1) 式中 52113.105 BDBZTK , ni inll111 也可按整理变形后的下列公式计算： niiniinnlqqlqqqqlqqlqKPPl121121221112221)().(.)( (5-2) 14 式中 21,PP 输气管计算段起 点和终点压力， Mpa qi 各进气点的进气量， dm3610 l 计算段的长度， km 天然气相对密度 水力摩阻系数 如不考虑进气分气影响，计算段长度为： ZTPPqDl B222125.2 )113.105( (5-3) 5.3 压缩机站数的确定 平均站间距： 2v22ql CPP ZQ (5-4) 压缩机站数： 1 l LLn Z (5-5) 式中 n 压缩机站数，计算结果向上取整； L 输气管道长度， km zL 末段储气管道长度， km： l 平均站间距， km PQ,PZ 分别为管道起点压力和终点压力 ,Pa 代入数值后： 915.6997718.00 3 8 4 8.0 3036277.0904.00115.0d 52520 C TZC mC PP ZQ k791.679100026.97915.6997 10)2-7(ql 2 12222v22 21791.679 895.339-1 0 001 l LLn Z 平均站间距取 679.791km190km，符合输气管道工程设计规范中对站间距的要求，压气站站数取 2。 15 5.4 压缩比 计算 压缩比为： 3 4 6.12.57 M P aM P a根据经验，压气站的设计压比不宜太高，否则将导致管道全线的压缩机功率增大，同时管道的输气能耗及输气成本增大，我国的输气管道工程设计规范（ GB 50251-94）建议：当采用离心式压缩机时，压气站的压比取 1.2-1.5 为宜 ， 故取 1.35。此外，在没有特殊要求的情况下，管道全线所有压气站的设计压比通常取同一个值。在设计中，取压缩比 为 1.35，通过校核压缩比 为 1.35，符合规范 ，故设计合理。 16 6 确定压缩机机组的功率与型号 6.1 压缩机的选型 一般选型原则，压缩机选型中要考虑的一般性问题是：介质；流量；排气压力； （ 1）考虑介质 1)昂贵介质宜选用膜压缩机，如：氩气，氦气压缩机。 2)冰箱、空调用制冷剂压缩机宜选用无泄漏全封闭特种压缩机，为了避免压缩过程中冷剂泄漏和噪音。 3)易燃易爆压缩机，如：氢气，乙炔压缩机，要考虑排气温度，考虑活塞杆 和气阀的密封要求，考虑是否加注惰性气体作密封气。 4)对材料有腐蚀的气体，如氨压缩机，不得使用铜材。 5)有毒或剧毒气体 (2) 考虑流量 1)流量 60 m3/min (吸入态 )宜选用活塞式或螺杆式压缩机。作为动力用的空气压缩机，仪表风、吹扫空气等的压缩机在公用工程中被大量使用。 2)流量 50m3/min (吸入态 )可选用离心式压缩机。 3)流量 150m3/min (吸入态 ) 宜选用离心式压缩机。 (3) 考虑流量时应兼顾排气压力 1)流量 50 m3/min，压比大于 9， 离心式压缩机效率急剧下降，这时： 二级叶轮变得很小，小于 100 mm; 转速变得很高， 大于 30， 000 rpm； 叶轮和轴承的制造难度均加大。 表 5.1 压缩机型号表 压缩机 型号 介质 进气 压力 (表压 ) MPa 排气 压力 (表压 ) MPa 排气 量 m3/s 驱动 功率 kW 外型 尺寸 长 宽 高 （ mm） 17 因此，根据所算压缩比，以及泵的流量和经济成本， 本设计管路中宜选择压缩机的型号为 M-40/60-70，进气压力 6MPa，出气压力为 7MPa，功率为 1500Kw。 D-2.4/(16-20)-250 天然气 1.6-2.0 25 2.4 355 600047602500 DWWJD-3/(00.2)-7 天然气 0-0.02 0.7 3 30 500023002400 D-0.08/250-500 天然气 25 50 0.08 135 600023002550 M-14.4/7